动力厂5#炉水冷壁管爆管事故原因分析及防范措施

李慧林

（中石化股份公司长岭分公司动力厂）

摘要：针对锅炉水冷壁管发生爆管事故进行原因分析，提出了改进防范措施。

关键词：锅炉爆管事故分析防范措施

1 事故经过

2004年11月29日动力厂5#锅炉在启动正常后增加负荷过程时发生一起水冷壁管爆管事故。

锅炉于15∶30时启动点火，18∶00 时锅炉压力升至3.6MPa，蒸汽温度达415℃时，汇报调度联系其它岗位后将锅炉并入系统运行，此时蒸汽流量显示为23t/h，锅炉机组运行正常。根据指令增加负荷到47t/h时，发现炉膛负压表波动较大，在-196Pa～-980Pa之间波动，检查炉内燃烧情况不好，烟囱冒黑烟，于是采取减少2#、3#火嘴瓦斯量，将5#火嘴油压降低至0.3MPa进行调整，锅炉负荷降到21t/h，烟囱依然冒黑烟，主汽压力下降至3.47MPa。18∶35 时突然听到炉膛内发生巨大爆炸响声，炉膛负压瞬间变正压，大量蒸汽从炉膛内冲出，遂判断为锅炉水冷壁严重爆管，立即切断5#炉各燃料系统，进行紧急停炉处理，18∶50停炉完毕，19∶15时锅炉压力下降为0。

2 爆管后锅炉损坏情况

发生锅炉爆管事故后，事故调查组对锅炉损坏情况进行了全面检查，发现爆裂的水冷壁管虽只一根，但爆管对锅炉水冷壁室造成的损坏非常严重。爆裂的水冷壁管位于东侧第31根（从北至南数），爆破口位于炉底标高2500mm，东侧第28、29两根水冷壁炉管也有不同程度的胀粗现象并已鼓包突出。除西侧水冷壁管无任何变形现象外，其它水冷壁管均有不同程度的变形，主要表现在炉管突出、弯曲并脱离原有固定点。发生变形的炉管数量如下：前侧水冷壁管15根、后侧水冷壁管27根、东侧水冷壁管3根（其中一根已爆管）。其它方面的损坏主要是炉子衬里，炉底耐火砖大面积膨起开裂，六个燃烧器旋口衬里全部脱落。

3 事故调查取证

正确地分析和判断锅炉爆管原因，是处理爆管问题的关键。锅炉发生爆管事故往往是由于多种因素的共同作用，涉及包括金属材料、锅炉设计、制造、安装、化学监督控制及运行操作等多个专业。为此事故调查组进行了全面的调查分析，并将水冷壁管进行切割取样，送长沙热工研究院进行金相检测。

（1）电镜扫描检测情况如下：

①背火面基体组织为铁素体+珠光体，珠光体有球化的迹象，外表面有轻微小孔腐蚀的迹象，可能是使用过程中经常经受高温所导致的结果。

②迎火面组织为板条马氏体，这种板条马氏体说明管子在爆炸之前经受超过700℃以上的高温，因为只有当钢的温度达奥氏体化的温度以上，才有可能从面心立方的奥氏体转变为体心正方的马氏体。

③迎火面的外侧显示出比较明显的晶间腐蚀，晶间腐蚀产物中含有比较多的P、S和Ca等，这种晶间腐蚀是在长时间的高温和渣油燃烧所放出的腐蚀产物的双重作用下生成的。

④迎火面内侧经受热腐蚀和热气体的冲刷，靠近边沿的晶粒之间有着比较明显的晶间裂纹，但裂纹达到一定程度后，在高压气体的冲刷下，晶粒可能脱离基体，长此以往可能造成管子内壁减薄。

⑤对管子爆裂断口进行切割取样，在扫描电镜下观察其断口形貌，观察结果表明，该种断裂是一种比较典型的高温断口，断口中显示出位错滑移痕迹。

（2）对管子的宏观外貌进行检查发现：

①管子的迎火面严重烧黑，背火面未见明显烧黑现象，管子爆裂开口方向是在迎火一侧。离管内爆裂开口中心不远处可见到白色的水垢，而中心部位未见到水垢，可能是管子爆裂的过程中被冲击波和蒸汽冲刷掉了。

②把管子锯开，管子迎火一侧的断面颜色深于背火一侧，管子壁厚也明显小于背火一侧。

③对管子进行测量的结果，迎火一侧内外壁因发生热腐蚀而变薄，变薄的厚度为1.0mm，实际测量迎火面最薄的壁厚只有2mm，而背火面最厚的壁厚为3mm。通过实测发现，在减薄的1mm的厚度中，由管子内壁向外减薄的厚度有约0.6mm，由外壁向里减薄的厚度约为0.4mm。

（3）管内侧结垢情况

对爆裂及鼓包炉管进行抽样检查，发现鼓包炉管内侧结垢比较严重，通过对垢层组份进行能谱分析，显示垢层主要由Si、Al、Ca、P和硫等组成。XRD物相分析结果表明，垢层主要由Fe₂O₃、CaCO₃和CaAl₂Si₂O₈等组成，主要成份是铁的腐蚀产物。管内结垢的后果是降低了导热系数，使管内汽水混和物与管壁之间起着隔热作用，一方面管内汽水混和物难以从管外吸热，温度难以升高，另一方面管壁的热量难以被管内汽水混和物带走，从而导致管壁温度持续升高。

4 事故原因分析

通过以上调查取证，结合5#炉近几年来的运行情况，综合分析发生爆管事故有以下几个方面的原因：

（1）局部过热形成高温断口是炉管爆裂事故的直接原因。由于炉内垢层的存在，使得炉管金属温度达到700℃以上（已在爆裂炉管断口取样微观金相组织及分析中阐述），而作为水冷壁管的20g钢，其使用温度仅在-20~475℃之内，炉管在金属温度达到700℃以上时，其金属强度急剧下降，炉管在受压状态下，断面的环向应力是轴向应力的2倍，应力的作用导致炉管沿轴向开裂而发生爆管。此次爆管时间发生在锅炉启动后期间，其水循环没有完全建立起来，炉管没有得到充分冷却，再加上因炉管热腐蚀减薄，导致水冷壁炉管中最脆弱的炉管首先发生爆裂。

（2）炉管内壁结垢是炉管爆裂的主要原因。炉管结垢直接威协锅炉的安全运行。通过检查与分析，5#炉炉管存在不同程度的结垢，垢层主要成份是铁的腐蚀产物，即Fe₂O₃，（有一部份CaCO₃和CaAl₂Si₂O₈盐类物质），炉管垢层的存在，一方面降低炉管的传热系数，引起炉管局部过热。另一方面由于铁的腐蚀产物对炉管内壁金属产生腐蚀，形成晶间裂纹，使炉管内壁减薄，在炉管超温状态下因强度不足而发生爆裂。根据生产实际情况分析，以下三个方面是引起炉管结垢的主要原因：

①近年来锅炉给水品质有所下降，这个结论可以从锅炉定期检验报告中得到证实，锅炉汽包内壁氧腐蚀比较严重。从此次爆管中，我们检测到炉管内壁垢层多为铁的氧化物也可以证明这一点。锅炉内壁的氧腐蚀是一种后果非常严重的现象。

②在近几年运行中，锅炉运行的水质监测可能存在一定问题，锅炉运行过程中的加药、定期排污可能没有落到实处。

③进锅炉的除氧水被污染的现象时有发生，在2002年分公司除氧水系统受到严重的污染，当时八台锅炉汽包全部进油被污染。

（3）锅炉燃料和燃烧方式的改变是炉管爆裂的主要原因。5#炉原设计燃料是渣油，渣油中固体颗粒及灰份都较小。近两年来，因燃烧渣油成本太高，将锅炉燃料改为油浆。在燃烧方式上，还要大量燃烧高压瓦斯，以平衡炼厂高压瓦斯系统。这种燃料及燃烧方式的改变，加剧了对燃烧室内水冷壁的磨损和腐蚀作用。在此次爆管中可以看到，爆裂炉管的外表面即炉管的迎火面外壁向里减薄了0.4mm，迎火面外侧显示出明显的晶间腐蚀，这就是燃料中灰份及有害化学元素共同作用的结果。

目前，锅炉燃料油浆的灰份量高达8%以上，所含S、P等有害化学成份及多种重金属成份比渣油更高。锅炉设计中燃料选定的渣油所含灰份为0.2%，S的含量在0.3%～0.4%，5#炉水冷壁管设计壁厚为3mm，基本上没有考虑灰份对炉管的磨损因素，也没有考虑到高温状态下灰份及烟气中S元素对炉管的腐蚀。在分析中发现发生爆裂的炉管迎火面外侧有比较明显的晶间腐蚀，这就是高含S燃料中S在高温状态下对炉管金属发生作用的结果。近几年来，锅炉积灰特别严重，直接影响到锅炉的安全运行，大约运行三个月时间后，过热蒸汽会严重超温，只有采取对锅炉受热面清灰措施后才能恢复锅炉的正常运行，但不能消除燃料中灰份和有害化学元素对锅炉炉管的侵害。另外锅炉燃烧方式由于生产需要，单嘴燃烧高压瓦斯经常超设计负荷运行。

（4）超期运行得不到及时检修更换也是造成炉管爆裂的主要原因。5#炉始建于1978年，到1995年才正式投入生产，在停运的17年里，锅炉受热面大部分受到氧腐蚀。自投入运行以来，5#炉先后进行过三次水冷壁管更换检修，因检修资金的原因，每次大修时只更换一部份，到目前为止，5#炉还有104根侧水冷管没有进行过更换，此次爆裂的管子就是其中之一。

（5）检修施工质量差是导致水冷壁管变形的重要原因。引起水冷壁管部分变形的主要原因是水冷壁管以往检修施工质量太差，管子固定点没有安装或虚焊。在本次爆管事故中，爆炸后的冲击波导致东西两侧后侧的大部分管子发生严重变形，而东西两侧前方各52根管子却没有发生变形，因为这些管子从来没有更换过，是原装水冷壁管，而发生弯曲变形的炉管是以往更换过的炉管。

水冷壁管发生爆裂是引起其它水冷壁管部分变形的外部因素。由于水冷壁突然爆裂，引起炉膛受热面急骤冷却和瞬间失压，巨大的热应力使水冷壁不平衡地急骤收缩，固定点失去作用，部分炉管处于自由状态，从而导致水冷壁管的弯曲变形。

5 防范措施

此次锅炉爆管事故虽然没有造成次生事故，但对锅炉产生的损伤很大。为杜绝类似事故的发生，确保锅炉安全运行，建议采取如下整改防范措施：

（1）严格执行国家对锅炉特种设备管理的法律法规及制度标准，健全强化对锅炉的工艺、设备、

安全管理，坚持定期对锅炉的检验与检查。

（2）加强锅炉的运行管理，严禁超温超压超

负荷运行，及时调整好锅炉燃烧工况，避免火焰偏斜和烟温偏差，保持合适的火焰中心位置，避免火焰直扫炉管。

（3）加强锅炉的化学监督，保证汽水品质，给水水质符合规定要求，除氧水温度、给水含氧量、含铁量、硬度、pH值、二氧化硅、炉水碱度等指标要达到规定要求，避免炉管内部腐蚀结垢。做好锅炉停用期间的保养工作，防止锅炉氧腐蚀。

（4）对锅炉东西两侧共计四个回路的水冷壁管进行更换（每个回路26根共计104根）。对所有炉管及炉管的固定点进行检查，凡发生弯曲变形的炉管要全部更换，并对所有水冷壁管的固定点进行加固。

（5）对锅炉受热面进行一次化学清洗，彻底消除炉管内垢层，确保锅炉受热面安全运行。对锅炉进行定期酸洗（三至五年一次）。

（6）定期对热负荷强的水冷壁受热面管子进行割管检查，发现异常情况可及时处理，以防止爆管事故的再次发生。

（7）不断提高工艺、设备、安全管理水平。①工艺管理方面：要加强平时锅炉运行中的工艺管理，检查指导对工艺参数的调整。检查监督好锅炉水质化验与分析，确保锅炉汽水品质控制合格。加强检查监督对锅炉燃烧的调整，确保锅炉炉内燃烧状况完好。②设备管理方面：抓好锅炉设备平时的定期检验与检查。抓好锅炉设备的定期检修与维护。③安全管理方面：严格按照《锅炉监察规程》标准对锅炉进行安全监督检查。加强对锅炉工艺运行过程的监督检查。加强对锅炉设备的定期检验与检查过程的安全监督。加强对锅炉设备检修后检查验收过程的安全监督。

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